利用G類放大器和電荷泵技術在增強型放大器設計

摘要：Maxim采用創新G類技術和基于電荷泵的架構，推出了增強型放大器。這些放大器設計可理想用于要求高壓輸出的便攜應用，而不會犧牲效率或PCB空間。本應用筆記說明在揚聲器功率驅動電路中使用電荷泵和G類技術的優勢。文中以MAX9730和MAX9788揚聲器放大器作為設計實例。

概述

便攜音頻應用中存在一個共同的問題，即揚聲器放大器的供電電壓有限。這些音頻系統通常采用鋰離子(Li+)電池供電，輸出額定值為3.7V。雖然3.7V電源足以保證系統的大多數元件正常工作，但是，為了提供令人滿意的聲壓，揚聲器放大器需要更高的供電電壓。因此，大多數揚聲器放大器的功率級都采用橋接負載配置，以便在揚聲器上產生兩倍的電源電壓。

多數情況下使揚聲器電源電壓加倍就足以滿足要求，但有些應用需要更大的輸出功率。例如：壓電揚聲器(需要較高的電壓驅動)或需要較高聲壓的系統(例如GPS設備)。針對這些音頻應用的需求，唯一的解決方案是提升電源電壓，通常需要一個單獨的DC-DC升壓轉換器，從而增加系統的成本和復雜度。

G類放大器MAX9730和MAX9788利用電荷泵提升電源電壓，以解決電源電壓問題。MAX9730適用傳統的動圈揚聲器，而MAX9788適用于陶瓷揚聲器。

創新的電荷泵

與標準的5V放大器相比，MAX9730和MAX9788使用電荷泵使輸出電平加倍。電荷泵完全集成在放大器內部，僅需兩個外部電容，可以使用0603微型表面貼裝電容。集成電荷泵產生幅度與電源電壓相等的負電壓，使供電電壓加倍，最終得到加倍的輸出擺幅。

與DC-DC升壓轉換器不同，電荷泵具有較大的輸出阻抗，帶負載時會導致負電源跌落。MAX9730和MAX9788的設計能夠確保電荷泵的輸出阻抗足夠低，以提供足夠的輸出功率。傳統放大器采用3.7V供電時，可以向8Ω負載提供700mW的驅動，MAX9730在同等條件下可以提供1.3W輸出驅動。

獨特的G類技術

由于MAX9730和MAX9788用10V放大器替代手持設備中常見的5V放大器，保持高效率就成為延長電池壽命的關鍵。雖然D類技術具有高效率并常用于手持設備，但它不符合陶瓷揚聲器的驅動要求。設計挑戰非常明確 — 陶瓷揚聲器需要其它驅動技術。G類放大器，一種并不知名的放大器技術，由于其完美的適應性被推向市場。

G類放大器的工作原理類似于AB類放大器，只是多路供電電壓，而非一路固定電壓。隨著輸入信號幅度的變化，G類架構可以自動選擇合適的電源，從而使輸出晶體管的壓降最低，大大提高效率。G類放大器通常由兩路正電源供電，較高的電源用于輸出較高電平，較低的電源用于輸出較低電平。

G類放大器MAX9730和MAX9788則以獨特的方式利用了G類技術，它們由電荷泵產生負壓，而非高、低正電源。當放大器產生較小的輸出信號時，放大器由電池電壓和地作為供電電源。這種模式下，器件的工作方式與常見的5V AB類放大器(圖1a)類似。當輸出信號超出電源電壓時，放大器選擇電池電壓和負電荷泵輸出供電(圖1b)。由此，放大器可以輸出遠遠高于傳統放大器的信號。


圖1a和1b. 工作在較低電壓(a)和較高電壓(b)的MAX9788 G類輸出級。

MAX9730和MAX9788可以確保在兩個電源之間切換不會產生音頻雜音。當輸出信號達到VCC和GND供電所允許的極限時，負電源被自動連接至輸出級。這樣，輸出信號不會在負擺幅側出現削頂，但仍會鉗位其正擺幅。為了校正這一點，放大器給負極性輸出增加額外的校正信號，如圖2所示。分別觀察正、負輸出時，正半周波形被明顯削頂，而負半周存在明顯失真。盡管這些信號出現了嚴重的失真，但卻被嚴格控制，充分利用了該架構的優勢。施加到負載上的實際輸出信號沒有失真。


圖2. MAX9788產生的G類輸出波形。

結論

將G類技術與負壓電荷泵相結合，MAX9730和MAX9788可以為音頻設計所面臨的公共問題提供有效的解決方案。大多數內部提供升壓的放大器需要大尺寸電感，而MAX9730和MAX9788只需使用兩個小尺寸電容，有助于節省PCB空間和成本。MAX9730和MAX9788利用高效G類結構降低電流消耗，改進現有的設計。 電荷放大器相關文章:電荷放大器原理